Nghiên cứu khả năng tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ để chưng cất nước ngọt từ nước biển441

Chính vì vậy, nghiên cứu đưa ra một hệ thống mà có thể tận dụng theo cách kết hợp linh hoạt năng lượng nhiệt của nước làm mát với nhiệt của khí thải của động cơ để tăng hiệu quả chưng c

Trong khi, hiện nay phần lớn các động cơ diesel chính trang bị trên các tàu khai thác thủy hải sản thuộc loại hiện đại có hiệu suất cao, có thể đạt trên 40%, mặc dù vậy năng lượng nhiệt của khí thải của động

cơ diesel có tăng áp thì sau khi qua bộ tuabin máy nén vẫn còn khá lớn, khoảng 30 35% đang thải lãng phí ra môi trường Chính vì vậy, nghiên cứu đưa ra một hệ thống mà có thể tận dụng theo cách kết hợp linh hoạt năng lượng nhiệt của nước làm mát với nhiệt của khí thải của động cơ để tăng hiệu quả chưng cất nước ngọt từ nước biển, đáp ứng

đủ nhu cầu sử dụng nước ngọt trên các tàu khai thác thủy hải sản đã

và đang đóng mới là hết sức cần thiết và có tính thời sự Việc thực hiện này không những đảm bảo cung cấp đủ nhu cầu nước ngọt cho các hoạt động trên tàu mà còn làm giảm tải trọng và tiêu hao nhiên liệu của tàu, tận dụng hiệu quả năng lượng khí thải và nước làm mát

bị thải ra môi trường, tăng hiệu quả trong khai thác hải sản trong mỗi chuyến đi biển

Từ những cơ sở trên, NCS chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng tận

dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ để chưng cất nước ngọt từ nước biển” để có thể giải quyết một

phần những khó khăn về nguồn nước ngọt trên các tàu đánh bắt xa bờ của Việt Nam hiện nay

ii Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án

- Đưa ra quy trình giải pháp phối hợp tận dụng nguồn nhiệt nước

để chưng cất nước ngọt từ nước biển.

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải động cơ để chưng cất nước ngọt từ nước biển bao gồm:

• Thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát động cơ đốt trong

• Thiết bị thu hồi nhiệt khí thải động cơ đốt trong

• Bộ thiết bị chưng cất nước ngọt từ nước biển

Đối tượng áp dụng: Hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ diesel D243

Phạm vi nghiên cứu của luận án giới hạn trong phòng thí nghiệm với hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển được lắp trên động cơ D243 để đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ cũng như đánh giá khả năng chưng cất nước ngọt từ nước biển của hệ thống

iv Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng phương pháp kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, tính toán mô phỏng và nghiên cứu thực nghiệm, trong đó:

• Nghiên cứu lý thuyết để làm cơ sở tính toán thiết kế và chế tạo

hệ thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ cũng như hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển

• Nghiên cứu mô phỏng gồm:

+ Nghiên cứu mô phỏng chu trình nhiệt động của động cơ

trên phần mềm AVL Boost để xác định phân bố lượng nhiệt cho nước làm mát và khí thải động cơ

+ Nghiên cứu mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt xảy ra bên

trong các thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ trên phần mềm Ansys Fluent để đưa ra các kết cấu hợp lý của các thiết bị thu hồi nhiệt

• Thực nghiệm trong phòng thí nghiệm

+ Xác định các thông số đầu vào và đánh giá độ tin cậy của

3

mô hình tín h

+ Đánh giá khả năng tận dụng nguồn năng lượng nhiệt nước

làm mát và nhiệt khí thải của động cơ để chưng cất nước ngọt từ nước biển đồng thời đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ khi lắp hệ thống chưng cất

v Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

• Ý nghĩa khoa học:

Luận án đã đưa ra quy trình hoàn chỉnh từ tính toán thiết kế tới chế tạo và thực nghiệm đánh giá hiệu quả hệ thống tận dụng năng lượng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ diesel tàu thủy để chưng cất nước ngọt từ nước biển

• Ý nghĩa thực tiễn:

- Kết quả của luận án có thể áp dụng vào sản xuất thiết bị chưng cất nước ngọt từ nước biển sử dụng năng lượng nhiệt khí thải và nước làm mát động cơ diesel lắp cho các tàu khai thác thủy hải sản xa bờ của Việt Nam

- Góp phần hiện đại hóa các tàu khai thác thủy hải sản xa bờ của Việt Nam

vi Điểm mới của Luận án

Đã xây dựng được quy trình tính toán thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ diesel để chưng cất nước ngọt từ nước biển

Đã áp dụng thành công quy trình để tính toán thiết kế 01 mô hình

hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải động cơ diesel tàu thủy theo phương pháp chưng cất HDH

vii Bố cục của Luận án

Luận án được thực hiện với những phần chính sau:

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Chương 3 Nghiên cứu, tính toán và thiết kế hệ thống chưng cấtChương 4 Nghiên cứu thực nghiệm

Kết luận chung và hướng phát triển

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan hiệu suất có ích của động cơ và nguồn năng lượng nhiệt nước làm mát và nhiệt khí thải

Động cơ đốt trong (ĐCĐT) hiện nay vẫn đóng vai trò quan trong,

là nguồn động lực chính trong các lĩnh vực giao thông vận tải, nông –lâm – ngư nghiệp Tuy nhiên phần năng lượng hữu ích truyền tới máy công tác chỉ chiếm khoảng 21÷33% đối với động cơ xăng, và 25÷40% đối với động cơ diesel, phần còn lại khoảng 60÷79% năng lượng mấtmát ra môi trường, trong đó chủ yếu nhiệt truyền cho hệ thống làm mát khoảng 25÷30%, nhiệt cho khí thải mang đi chiếm khoảng 30÷35% [1÷7]

1.2 Nghiên cứu tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải để nâng cao hiệu suất nhiệt của hệ động lực

1.2.1.Tăng áp khí nạp cho động cơ bằ ng tuabin máy nén – 1.2.2 S d ng chu trình Rankine h ử ụ ữu cơ (ORC)

1.2.3 Nhi ệt điệ n (Thermoelectric Generation - TEG)

1.2.4 T n d ng nhi t khí ậ ụ ệ thả để i gia nhi t cho n ệ ồi hơi

1.2.5 Nâng cao hi u su t nhi t c ệ ấ ệ ủa động cơ từ nhiệt nước làm mát

1.3 Nhu cầu sử dụng nước ngọt và các phương pháp chưng cất nước ngọt từ nước biển

1.3.1 Th c tr ng nhu c u s d ự ạ ầ ử ụng nướ c ng t trên các tàu ọ biển

1.3.2 Tính chất hóa lý c ủa nướ c bi ể n

Nước biển có độ mặn không đồng đều trên toàn thế giới mặc dù phần lớn có độ mặn nằm trong khoảng từ 3,1% tới 3,8% Nước biển bay hơi ở áp suất không được lớn hơn 12÷24 kPa (0,123÷0,246 at) Khi đó nhiệt độ hơi bão hòa 50÷60oC Tỷ trọng của nước biển nằm trong khoảng 1020 ÷ 1030 kg/m³ Điểm đóng băng của nước biển giảm xuống khi độ mặn tăng lên và nó là khoảng -2°C ở nồng độ 3,5% [23 ]

1.3.3 Các gi i pháp công ngh t ả ệ ạo nướ c ngọt t ừ nướ c bi n ể hiện nay

Hình 1.10 thể hiện các công nghệ khử muối chính hiện nay đang được sử dụng trên thế giới [24]

• Chưng cất kiểu nén hơi (Vapour Compression – V C)

• Chưng cất kiểu hóa ẩm - ngưng tụ (Humidification –Dehumidification - HDH)

Tương tự như MSF và MED, HDH làm bay hơi nước theo phương pháp nhiệt Nhưng HDH khác với MSF và MED ở chỗ nước bay hơi không được xử lý dưới dạng hơi tinh khiết, mà được sử dụng để làm

ẩm một dòng khí (thường là không khí) Hình 1.15 thể hiện sơ đồ nguyên lý của cả hai loại hệ thống HDH

Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống chưng cất kiểu

HDH [34]

1.3.3.2 Khử muối nước theo phương pháp màng

6

• Phương pháp thẩm thấu ngược (RO)

• Điện phân (Electrodialysis - ED)

1.4 Các nghiên cứu tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ diesel trên tàu biển

1.4.1 Các nghiên c u trên th ứ ế giới

1.4.1.1 Tận dụng nhiệt thải của động cơ chính trên tàu biển để

sinh công có ích

1.4.1.2 Tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải để chưng cất

nước ngọt từ nước biển

Hãng Sasakura đã thương mại hóa sản phẩm tận dụng nhiệt nước làm mát để chưng cất nước ngọt từ nước biển như thể hiện trên hình 1.21

Hình 1.19 Thiết bị tạo nước ngọt của hãng Sasakura [50]

K.S.Maheswari và các cộng sự 0[5 ] nghiên cứ hệ thống tận dụng nhiệt khí thải động cơ diesel để chưng cất nước ngọt từ nước biển được thể hiện trên Hình 1.22

Hình 1.21 Sơ đồ hệ thống tận dụng nhiệt thải động cơ diesel để

chưng cất nước ngọt từ nước biển [52]

và nước làm mát trên các tàu chở khách (Hình 1.22) [53]

1.4.2 Các nghiên c ứu trong nướ c

Nghiên cứu của tác giả Lê Viết Lượng và các cộng sự đã thiết kế

và chế tạo nồi hơi tận dụng nhiệt khí thải động cơ diesel tàu thủy kiểu moduyn lắp trên tàu thủy [54, 545

Tác giả Nguyễn Công Đoàn cũng có nghiên cứu tận dụng nhiệt năng khí xả động cơ diesel tàu thủy để chuyển hóa thành điện năng [56]

Nghiên cứu của tác giả Diệp Trung Hiếu, Nguyễn Văn Tuyên [57]

đã tính toán thiết kế thiết bị tận dụng nhiệt khí thải để sấy mực Kết quả chạy thực nghiệm cho thấy có thể tận dụng được nhiệt lượng khí thải là 10,72 kW

Nhóm tác giả Hoàng Anh Tuấn, Lương Công Nhớ, Lê Anh Tuấn [60] đã nghiên cứu các giải pháp tận dụng nhiệt khí thải để sấy nóngnhiên liệu diesel sinh học dùng trên động cơ thủy

1.5 Hướng tiếp cận và nội dung nghiên cứu của luận án

Qua các nghiên cứu tổng quan NCS nhận thấy để giải quyết nhu , cầu nước ngọt và thời nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng nhiệt của động cơ trên các tàu biển có công suất vừa và nhỏ cần có giải pháp tận dụng đồng thời nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ để chưng cất nước ngọt từ nước biển Do tính linh hoạt và chi phí sản xuất thấp, dễ dàng vận hành nên NCS chọn phương pháp chưng cất kiểu HDH cho hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển

Nội dung nghiên cứu của luận án:

- Nghiên cứu tổng quan về hiệu suất nhiệt của động cơ đốt trong và

8

các giải pháp tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ

- Nghiên cứu tổng quan các phương pháp chưng cất nước ngọt từ nước biển

- Nghiên cứu đưa ra giải pháp công nghệ phối hợp tận dụng năng lượng nhiệt nước làm mát và nhiệt khí thải của động cơ đốt trong để chưng cất nước ngọt từ nước biển sử dụng phương pháp chưng cất kiểu HDH

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tính toán thiết kế thiết bị tận dụng nhiệt nước làm mát, thiết bị tận dụng nhiệt khí thải và thiết bị hóa ẩm

và ngưng tụ cho hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển

- Nghiên cứu mô phỏng động cơ để xác định nhiệt lượng của nước làm mát và khí thải của động cơ đốt trong

- Nghiên cứu mô phỏng thiết bị tận dụng nhiệt nước làm mát và thiết bị tận dụng nhiệt khí thải để chưng cất nước ngọt từ nước biển trên phần mềm chuyên dụng

- Thực nghiệm với hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải lắp trên động cơ thử nghiệm trong phòng thí nghiệm để đánh giá hiệu suất tận dụng nhiệt và hiệu quả của

hệ thống chưng cất

1.6 Kết luận chương 1

Qua các công trình nghiên cứu về hiệu suất nhiệt của động cơ đốt trong cho thấy, nhiệt lượng động cơ mất mát cho nước làm mát và khí thải là rất lớn (khoảng hơn 50%), với nguồn năng lượng lớn này có thể tận dụng chúng để sinh công có ích Để tăng hiệu suất sử dụng nhiệt của động cơ đã có nhiều giải pháp như: Tăng áp khí nạp cho động cơ bằng tuabin – máy nén; sử dụng chu trình ORC; nhiệt điện; gia nhiệt cho nồi hơi; chưng cất nước ngọt từ nước biển

Trên các tàu biển cỡ lớn đã có các hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển tận dụng năng lượng nhiệt nước làm mát của động cơ chính, tuy nhiên còn hạn chế với các tàu đánh bắt cá xa bờ có công suất nhỏ

và trung bình

Phương pháp chưng cất HDH có nhiều ưu điểm như: dễ chế tạo, linh hoạt về công suất, chi phí sản xuất, khai thác thấp và có thể hoạt động với vùng nước biển đầu vào có chất lượng nước khác nhau Do vậy trong luận án này NCS áp dụng phương pháp HDH vào hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển

• Mô hình truyền nhiệt Woschni 1978:

Nhiệt lượng mất mát cho hệ thống làm mát được xác định như sau:

w i i w ( c wi )

0,8 0,8 0,2 0,53

2.3.1 Két thu hồi nhi ệt nướ c làm mát, CHR

Két thu hồi nhiệt nước làm mát được thiết kế theo kiểu ống lồng: phía bên ngoài là một ống trụ trơn có đường kính D1/D2, còn bên trong

là một chùm ống trụ trơn có đường kính d1/d2 (đường kính/ đường kính ngoài) được sắp theo kiểu đa giác đều hoặc đường tròn đồng tâm Quá trình trao đổi nhiệt của chùm ống trong két làm mát cũng được tính tương tự quá trình trao đổi nhiệt của một ống trụ trơn một lớp (Hình 2.10 )

Hình 2.10 Truyền nhiệt qua vách trụ một lớp Mật độ dòng nhiệt truyền qua 1 vách trụ một lớp được tính như sau:

f1 f 2 2

11

khí thải và nước biển để tăng khả năng quá trình trao đổi nhiệt giữa , khí thải và nước biển thì EHR có kết cấu dạng cánh như thể hiện trên Hình 2.14 và Hình 2.15

Đối với EHR, phương trình truyền qua ống có cánh được xác định như sau:

(1 2)

1 1 1 2 2 1

2.4.2 Quá trình trình trao đổ i nhi ệt trong bình ngưng tụ

Trong bình ngưng, không khí trao đổi nhiệt với nước biển có nhiệt

độ thấp chảy bên trong ống, khi đó hơi nước trong không khí sẽ ngưng

tụ Hình 2.27 biểu diễn quá trình làm lạnh không khí: d2 d> 1; t2 t> 1;

2 = 1

12

Hình 2.27 Đồ thị I d quá trình làm lạnh không khí ẩm [- 60]

2.5 Cơ sở tính toán các thiết bị phụ của hệ thống

2.6 Cơ sở lý thuyết tính quá trình trao đổi nhiệt trong phần mềm Ansys Fluent

2.6 1 Đị nh lu t b o toàn kh ậ ả ối lượ ng

Hình 2.31 Khối lượng đi vào và ra của 1 phần tử chất lỏng [75] Phương trình bảo toàn khối lượng được xác định như sau:

2.6.2 Đị nh lu t bảo toàn động lượng ậ

Phương trình bảo toàn động lượng của một phần tử theo 3 phương xyz trong không gian có dạng như sau:

Mx x

pdu

pdv

13

Mz z

2.6.3 Đị nh lu t bảo toàn năng lượng ậ

Phương trình bảo toàn năng lượng cho dòng chất lỏng là:

( )

(u ) (u ) ( ) (v ) ( ) (v ) (w )

div k grad T S

t

t t

• Mô hình truyền nhiệt

Phương trình truyền nhiệt trong Ansys Fluent như sau:

qh = hc.(Tf T– s) (W/m2) (2.97)

2.7 Kết luận chương 2

Trong chương này, NCS đã đưa ra cơ sở í t nh to n l thuyá ý ết lượng nhiệt ĐCĐT truyền cho nước l m m t v kh à á à íthải d a trên cự ác phương trình trao đổi nhi t v nhiệ à ệt động h c c a môi ch t vọ ủ ấ ới môi trường ngoài trên cơ sở lượng nhiệt đầu v o c à ó được t ph n m m AVL ừ ầ ềBoost Từ cơ sở về truyền nhiệt, tác gi ả đã xây dựng công thức xác

định kích thước sơ bộ các thiết bị trao đổi nhi t d a trên c c thông s ệ ự á ốđầu vào là nhiệt động cơ đốt trong truyền cho nước làm mát và khí thải của động cơ Ngoài ra, kích thước b hộ óa ẩm v ànhưng tụ hơi nước

cũng được xác định d a trên qu ự á trình trao đổi nhi t v ệ à trao đổi chất trong b nh hì óa ẩm – ngưng tụ Các thông s ố sơ bộ ủa các thiết bị tận cdụng nhiệt là cơ sở để tính toán đưa ra thông số kích thước hợp lý dựa trên ph n m m Ansys - Fluent ầ ề

14

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ

THỐNG CHƯNG CẤT

Từ cơ sở lý thuyết tính toán quá trình trao đổi nhiệt NCS tiến hành ,

mô phỏng động cơ D243 nhằm xác định lượng nhiệt của động cơ truyền cho nước làm mát và khí thải thông qua phần mềmAVL-Boost

và tính toán thiết kế các thiết bị chính của hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển tận dụng nhiệt thải của động cơ D243

3.1 Xây dựng sơ đồ hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển

tận dụng nhiệt khí thải và nước làm mát của động cơ

3.2 Xây dựng mô hình động cơ D243 trên phần mềm AVL Boost

-3.3 Tính toán, thiết kế các thiết bị trong hệ thống

3.3.1 Tính toán, thi t k và mô ph ế ế ỏ ng két thu h i nhi ồ ệ t nướ c làm mát, CHR

Hình 3.14 Kết cấu két thu hồi nhiệt nước làm mát

Sau khi tính toán, CHR có thông số như sau: Vỏ ống có kích thước

15

D1/D2 = 162,7/168,3 mm; số ống trao đổi nhiệt là 46 ống có chiều dài

L = 550 mm và có 3 phương án như thể hiện trong Hình 3.14

Kết quả mô phỏng CHR với 3 phương án được thể hiện trên Hình 3.18 và Hình 3.19

Hình 3.18 Nhiệt lượng thu hồi được từ nước làm mát động cơ

Hình 3.19 Lưu lượng nước biển qua két thu hồi nhiệt CHR

3.3.2 Tính toán, thi t k và mô ph ế ế ỏ ng két thu h i nhi t khí ồ ệ thải, EHR

Sau khi tính toán, EHR có kích thước như sau: D1/D2 = 162,7/168,3mm; d1/d2 = 136,5/141,3 mm và chiều dài là L1 = 580 (m m) với 3 phương án bố trí cánh như thể hiện trên Hình 3.20 )

Hình 3.22 Các phương án bố trí cánh trao đổi nhiệt trong EHR